【C语言】程序环境和预处理（上）

👉程序的翻译环境和执行环境👈

在ANSI C标准的任何一种实现中，存在两个不同的环境。

第1种是翻译环境，在这个环境中源代码被转换为可执行的机器指令。

第2种是执行环境，它用于实际执行代码。

👉详解编译和链接👈

翻译环境

组成一个程序的每个源文件通过编译过程分别转换成目标代码（object code）。

每个目标文件由链接器（linker）捆绑在一起，形成一个单一而完整的可执行程序。

链接器同时也会引入标准C函数库中任何被该程序所用到的函数，而且它可以搜索程序员个人的程序库，将其需要的函数也链接到程序中。

一、编译的几个阶段

编译分为三个阶段，分别为预编译（预处理）、编译和汇编。如下图所示：

那在这三个阶段里，编译器究竟会做什么处理呢？接下来，我们来学习一下。

1.预处理

• 完成头文件的包含（#include）
• #define 定义的符号和宏的替换
• 注释的删除

因为在 VS2022 上无法看到预编译、编译和汇编的过程，所以我们就在 Linux 环境下测试我们的代码。

我们在 Linux 系统下创建一个 test.c 的代码（相关的指令，大家可以自行搜索学习），然后输入指令gcc test.c编译test.c代码（gcc 是一个编译器），编译完成结束会在该目录下生存一个可执行程序 a.out（相当于 Windows 系统下的.exe文件）。通过指令ls可以查看该目录下的全部文件，可以看到确实是生成了一个a.out文件。再然后输入指令./a.out就可以看到程序运行的结果了。

有小伙伴就说了，这也没有看到所谓的预处理过程啊。不要着急，这只是在给大家介绍一下如何在 Linux 环境下编译和执行我们写的代码。接下来，我们就来学习一下预编译的过程。

• 完成头文件的包含（#include）

刚才我们已经写了一个代码test.c，现在我们就对这个代码进行预编译。首先我们输入指令gcc test.c -E，这条指令的意思是预编译完成后就停止，不在执行往后的编译和汇编，也不会生成可执行程序a.out。输入完gcc test.c -E指令后，在命令行里会出现很多的信息，其实这就是头文件的包含。

如果想要不在命令行出现这些信息，我们可以将指令gcc test.c -E换成指令gcc test.c -E >test.i（输出重定向），它就会生成一个test.i的文件，文件中保存着预处理后产生的信息。我们也可以通过ls指令看是否真的生成test.i文件，也可以打开该文件看到预处理后产生的信息。

如果我们想要看到stdio.h头文件的内容，首先我们先进入到stdio.h头文件所在的路径（输入指令cd /usr/include/），然后通过指令nano stdio.h就可以查看头文件的内容了。

通过这样一对比，我们就可以知道，头文件的包含其实就是将头文件里的内容拷贝到代码中去。

#define 定义的符号和宏的替换

为了看到 #define 定义的符号和宏的替换的效果，我们就打开我们的代码，修改一下我们的代码。

我们现在输入指令gcc test.c -E >test.i进行预处理，然后打开生成的test.i文件查看预处理后产生的信息。见下图：

通过对比test.c代码和预处理之后的信息，我们可以清晰地看到预处理完成了 #define 定义的符号和宏的替换。因为在预编译的过程已经完成了 #define 定义的符号和宏的替换，所以在往后的编译、汇编和调试的时候，我们都无法看到 #define 定义的符号和宏了。

注释的删除

为了看到注释的删除的效果，我们在原来的代码上加上一段注释，对比一下代码和预处理后产生的信息，就可以明显地看到注释的删除。

以上就是预处理的主要过程，预处理中的这些操作都是一些文本操作。接下来我们学习一下编译，看一下编译过程究竟是如何的。

2.编译

预处理完后生成了一个 test.i 的文件，接下来我们就要对该文件进行编译处理。在编译处理的过程中，会文件做语法分析、词法分析、语义分析和符号汇总的操作。

知道了这些，我们就输入指令gcc test.i -S对test.i文件进行编译处理，并且输入该指令后会生成一个test.s的文件。当然，我们同样可以输入指令ls查看是否真的生成了test.s文件。

那test.s文件中都有什么内容呢？现在我们通过指令nano test.i来查看一下test.s文件的内容。

我们发现，test.s文件里面的内容我们好像也看不懂诶。其实test.s里面放的就是我们写的代码所对应的汇编代码。其实，编译的过程就是将C语言代码转化成汇编代码。在这个过程中，编译器就会对代码进行语法分析、词法分析、语义分析和符号汇总。如果大家对这些编译过程感兴趣的话，可以看一下《编译原理》这本书或者自行搜索。在《编译原理》这本书里，主要将的是如何实现一个编译器和编译器的工作原理。对于符号汇总，我们将会在下面的内容里讲解一下。

3.汇编

汇编过程就是将汇编指令转换成机器指令（二进制指令）的过程。与此相反的是反汇编，反汇编是将机器指令（二进制指令）转换成汇编指令的过程。关于汇编语言，对于一个程序员来说，也是非常地重要的。如果大家感兴趣的话，也可以自行学习一下，增加自己的内功，让自己深入了解计算机究竟是如何工作的。那么，接下来我们就来学习一下汇编过程。

在汇编过程里，我们所要使用的指令是gcc test.s -c。输入指令gcc test.s -c后，会生成一个test.o的文件（Linux 系统的目标文件，Windows 系统的目标文件是.obj后缀）。

那现在，我们也打开test.o文件，看一下他里面的内容。

因为test.o文件里的内容都是一些机器指令（二进制指令），所以我们就更加看不懂了。虽然我们看不懂，但是有一个工具readelf可以看懂，因为test.o文件是elf格式的。elf格式将test.o文件划成了一个一个的段，不同的段里存储的数据是不一样的。

接下来，我们可以输入指令readelf test.o -s来看一下test.o文件的内容。

在汇编过程中，除了将汇编指令转换成机器指令（二进制指令）外，还生成了符号表。上图红色框框框住的就是汇编过程中生成的符号表。

为了更好地理解上面的全过程，博主再给出一个例子。

那生成的符号表有什么用呢？学习了接下来的链接，你就会知道了。

二、链接

链接过程主要做的是把多个目标文件（.o文件）和链接库进行链接，然后生成可执行程序a.out。那链接过程具体又做了什么呢？链接过程中主要做了两件事：1.合并段表；2.符号表的合并和重定位。

1.合并段表

在编译过程中，生成了多个目标文件，也就有了多个段表。那么在链接的时候，我们就需要把相同段的数据合并，然后生成可执行程序a.out。

2.符号表的合并和重定位

在汇编的时候，会生成多个符号表。那么在链接的时候，我们就需要对符号表进行合并和重定位，将无效的符号地址去除，有效的符号地址保留下来。那么通过有效的符号地址就可以找到相关的函数。

如果你将add.c文件里的Add函数的定义给注释掉了，那么在链接的时候就会出错。

以上就是翻译环境所需要做的全部事情，接下来我们来学习一下运行环境。

运行环境

程序执行的过程：

程序必须载入内存中。在有操作系统的环境中，一般这个由操作系统完成。在独立的环境中，程序的载入必须由手工安排，也可能是通过可执行代码置入只读内存来完成。

程序的执行便开始。接着便调用main函数。

开始执行程序代码。这个时候程序将使用一个运行时堆栈（函数栈帧）（stack），存储函数的局部变量和返回 地址。程序同时也可以使用静态（static）内存，存储于静态内存中的变量在程序的整个执行过程 一直保留他们的值。

终止程序。正常终止main函数；也有可能是意外终止。

对函数栈帧的创建与销毁感兴趣的话，可以看一下博主之前写的文章：【C语言】函数栈帧的创建和销毁详解。这一块内容也是非常重要，相信大家看了之后，一定会有不少的收获。在此就不赘述这一块内容了。

详解编译和链接全过程图片

👉预处理详解👈

预定义符号

• __FILE__ //进行编译的源文件
• __LINE__ //文件当前的行号

• __DATE__ //文件被编译的日期
• __TIME__ //文件被编译的时间
• __FUNCTION__ //文件当前所在的函数
• __STDC__ //如果编译器遵循ANSI C标准，其值为1，否则未定义

这些预定义符号都是语言内置的，那有什么呢？通过下面的程序我们来看一下。

#include <stdio.h>
int main()
{
  printf("%s\n", __FILE__);
  printf("%d\n", __LINE__);
  printf("%s\n", __DATE__);
  printf("%s\n", __TIME__);
  printf("%s\n", __FUNCTION__);
  return 0;
}

还有一个内置的预定义符号，需要编译器遵循ANSI C标准才能执行的，那现在就来看一下 VS2022 是否遵循ANSI C标准。

可以看到 VS2022 是不遵循 ANSI C 标准的，但是 gcc 编译器是遵循 ANSI C 标准的，我们将该代码在 Linux 环境下运行一下。

我想有小伙伴就会说了，好像这个东西也没有什么用啊。其实这个还是有点用的，可以帮我们生成一个日志，方便查看代码什么时间、什么地方出现了问题。

#include <stdio.h>
int main()
{
  int i = 0;
  FILE* pf = fopen("log.txt", "a+");
  if (pf == NULL)
  {
    perror("fopen");
    return 1;
  }
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    fprintf(pf, "%s %d %s %s %d\n", __FILE__, __LINE__, __DATE__, __TIME__, i);
  }
  fclose(pf);
  pf = NULL;
  return 0;
}